開創新天文學
截止到目前，人類已經發現了551個太陽系外行星的候選者，其中還有超過200個行星系統。它們中的大部分是通過探測行星對其宿主恆星在觀測者視線方向上的引力攝動而被發現的，這一方法被稱為視向速度方法。目前，這一方法主要適用於搜尋極為靠近宿主恆星的熱類木星。但如果要找到位於低溫矮星周圍宜居帶中的巖質類地行星，現有視向速度方法的靈敏度還需要提高至少10倍。
為此，坐落在夏威夷凱克望遠鏡需要1小時～3小時才能得到可信的視向速度數據，這大大限制了觀測的效率。
考慮到行星系統的多樣性，必須要對數百顆恆星進行觀測之後方能真正得到近距巖質類地行星的可靠比例。而TMT在這方面的優勢就體現了出來：它比凱克望遠鏡大9倍的集光能力使得其每次視向速度觀測所需的時間只有幾分鐘，在一年裡可以觀測數千個行星候選者。
除了視向速度觀測之外，TMT還將使得人類第一次能經常性地對系外行星進行直接成像觀測，收集它們大氣活動和化學性質的信息：通過星冕儀和高精度天體測量技術，TMT可以探測距離宿主恆星相對較遠的年輕高溫類木行星。其中，來自遙遠行星系統的星光包含了行星及其宿主恆星的輻射。從地球上看，當行星從恆星前方經過時，恆星所發出光中的一部分會穿過行星的大氣。此時，由行星大氣分子造成的吸收特徵就會在恆星的光譜中顯現出來，據此就能測定出行星的大氣成分。TMT除了將幫助我們確定銀河系中類似地球的行星究竟有多罕見之外，還能幫助我們推斷出在銀河系的其他地區是否也存在類似地球上的生命。
未來的TMT將會看到之前任何一架望遠鏡都無法看到的早期宇宙———直達宇宙「黑暗時代」之後第一代恆星和星系的形成時期，並直擊宇宙中的「第一縷光」。有理論認為，在大爆炸的光輝褪去之後，宇宙進入了一個長期的「黑暗時代」。最終，低溫物質聚集坍縮形成了第一代恆星和星系，出現了第一縷光。
第一代星系包含有從原初氣體中形成的第一代大質量恆星，其中星族Ⅲ恆星會以超新星爆發的形式為宇宙製造出第一批重元素———作為大質量的熱源，它們會發出強烈的輻射，電離周圍的原初氦。這些氣體產生的特徵發射線可以作為第一代恆星的示蹤器。而TMT可以看到紅移達14的星系的這些譜線，驗證先前根據微波背景輻射偏振所做出的星族Ⅲ恆星的紅移在7～20之間的預言。這將為早期星系的演化提供一個新的、重要的限制。
此外，在黑暗時代中，引力開始把暗物質聚集成團，構築起宇宙大尺度結構。其時，中性氫和氦原子會被暗物質吸引，在密度最高的區域積聚。不過，這一原初引力成團的細節目前還鮮為人知，我們不知道是單顆恆星還是巨型黑洞先形成，恆星和黑洞是否都會產生高能光子，包括高溫、明亮的恆星是否會輻射出巨量的紫外線，以及在吸積盤中落向黑洞的物質其溫度是否會高到足以產生X射線……沒有人知道哪類天體率先開始發出明亮的輻射，但有一件事情是肯定的：在幾億年之後，宇宙的燈光被點亮了。對於這些問題，TMT興許可以為我們提供一些線索。
超大鏡面像蜂窩一樣拼接而成
為了攻克這些未知，TMT必須要有遠超目前最大望遠鏡的鏡面，用以收集來自宇宙邊緣的微弱信息。然而，建造直徑30米的望遠鏡主鏡絕非易事！ 在20世紀70年代末，天文學家遇到了一個問題：天文望遠鏡的尺寸已經無法滿足他們的要求了。為了能更深入宇宙的過去，他們需要更大的望遠鏡。但是，直徑大於5米的鏡面會由於形變而產生扭曲的圖像，使得這一夢想始終未能實現。
最終找到破解這一關鍵問題辦法的，是一名誰也沒有想到的物理學家，他就是美國加利福尼亞州大學伯克利分校的納遜。「在演講時，他平淡的風格會讓你覺得他正在推銷一種新的市政下水道合同，而不是世界上最大的望遠鏡，」美國《洛杉磯時報》評論道，「然而，他是一個不屈不撓且有能力的科學家，擁有巧妙解決意料之外問題的天賦。」
納爾遜設計出的解決方案是：先做36塊小鏡面，然後像蜂巢一樣把它們拼接到一起。這就是位於美國夏威夷的兩架10米凱克望遠鏡的建造基礎。當時人們都認為這個想法風險極大，也沒有人相信它會成功，但納爾遜做到了。
在過去的100年裡，望遠鏡的設計有兩個鮮明的階段。首先，天文學家從使用透鏡的折射望遠鏡轉向了使用鏡
面的反射望遠鏡。1908年，美國威爾遜山天文臺的1.5米望遠鏡拉開了這一階段的序幕，隨後是1917年2.5米的胡克望遠鏡和1948年美國帕洛瑪天文臺的海爾望遠鏡；而凱克望遠鏡則開啟了通過拼接鏡面建造望遠鏡的下一個時期。也正因為如此，美國加利福尼亞州大學聖克魯茲分校的天文學家桑迪·費伯把納爾遜稱為「現代伽利略」。
實際上，納爾遜的方法和其他拼接鏡面設計已經被證明極具可行性和靈活性，TMT也將使用相同的技術。TMT反射鏡所用的拼接鏡面比凱克望遠鏡高一個數量級，達到492塊，並通過複雜的計算機制導系統使其整體運轉。然而，即使望遠鏡主鏡面的問題得到解決，它仍要克服一個所有地面望遠鏡都要面對的難題———大氣湍動。
看得更深、更遠
400年前，當伽利略用他的望遠鏡首次發現木星的衛星時，沒有想到這個小望遠鏡的後裔居然可以窺視宇宙的邊緣。當時，伽利略手工製造的望遠鏡口徑只有4.4釐米，而且透鏡的質量很差，無法分辨小於10角秒的細節———相當於300米外一枚銀幣所張的角。因此，伽利略無法分辨出土星的光環。而以TMT主鏡30米的直徑，它的解析度可以達到0.005個角秒。
但是，用過望遠鏡的人都知道，地球上的大氣湍流會讓影像變得模糊。因此，無論口徑有多大，沒有望遠鏡的解析度可以達到0.5角秒以上，甚至在山頂這種視凝度極好的地方也是如此。從解析度的角度來說，世界上最大的望遠鏡並不比天文愛好者手中的幾十釐米望遠鏡好到哪裡去。
現在不同了。通過自適應光學系統時刻修正大氣擾動所造成的圖像畸變，
可以使星像還原到近乎達到衍射極限的完美程度。為了使光線重回「正途」，自適應光學系統必須要做兩件事：在每一個瞬間測量出所有的影像畸變，然後通過望遠鏡光路上的器件來校正這些畸變。
自適應光學系統會幫助TMT實現「看得更深、更遠」的目標，包括使用鈉雷射產生的人造引導星來探測氣流的狀況，並把大氣湍流的信息傳遞給小型彈性鏡面，後者會實時糾正大氣的擾動。不過，對於TMT而言，傳統的自適應光學系統並不能簡單地照搬到它身上。如果你把TMT對準一個星系，來自星系的光會穿過直徑30米的圓柱形空氣柱。然而，來自引導星的星光僅僅位於90千米的高空，無法貫穿整個空氣柱。相反，它僅能覆蓋底面直徑為30米的圓錐形區域。因此，圓柱裡、圓錐外的大氣湍流就無法被測量，星系的影像不會完全得到修正。而新的多重共軛自適應光學系統將通過使用多重引導星、波前傳感器和彈性鏡面來解決這個問題，同時也克服了自適應光學系統對視場大小的限制。
沒有自適應光學系統，地面望遠鏡根本無法和哈勃這樣的空間望遠鏡相比。納爾遜把這一關鍵技術稱為「望遠鏡的心臟和靈魂」。
納爾遜預言，在不太遙遠的未來我們還將看到50米和100米望遠鏡。但這並不意味著這些望遠鏡容易實現。預計10億美元的成本使得TMT必須尋求國際合作。「TMT將要做出的發現會增加我們對能力更強大、更大望遠鏡的渴望」，納爾遜說，「因此只要我們保留好奇心並且擁有建造這些設備的資金，我認為我們會見到更巨大的東西。」